【導(dǎo)讀】微波電真空器件是雷達、通信、廣播、加速器等一些電子系統(tǒng)的心臟部件?？煽啃院蛪勖哂兄匾饔谩１疚幕诤行洼敵龃澳Ｐ?，采用matlab、cst三維計。并對非常規(guī)輸出窗模型的輸出特性與各種結(jié)構(gòu)參量的關(guān)系進行。同時，采用現(xiàn)有半徑為3mm的藍寶石窗片，設(shè)計適合與300GHz的盒。型窗結(jié)構(gòu)并模擬優(yōu)化。圓波導(dǎo)長度的優(yōu)化.....

　　

【正文】 .5G H z G H z 時滿足技術(shù)指標(biāo)。其 30%f ? ，很好的滿足設(shè)計要求。 綜上所述，這種非常規(guī)輸出窗模型確定 ，且透射系數(shù)完全滿足所要求技術(shù)指標(biāo) 。證明了其確實可行。 半徑 3mm 藍寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗設(shè)計 盒型窗的窗片分析 輸出窗是在一段波導(dǎo)管中焊接絕緣介質(zhì)片 [8] ，兩端焊接連接波導(dǎo)法蘭或者直接與其他部分焊接在一起而構(gòu)成部件的一部分。如速調(diào)管的輸出窗，駐波加速管的輸出窗等。它的作用是然電磁波無反射地通過它傳輸，僅有很小的插入損耗，并把超高真空與充氣狀態(tài)和大氣隔離開來。在高頻率、高功率并要求緊密封裝要求下，常規(guī)的盒型輸出窗已經(jīng)不能滿足工程要求。所以為進一步提高盒型輸出窗的工作效率，設(shè)計出非常規(guī)的盒型窗，以滿足要求 并將其應(yīng) 用到工程實際。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 29 以上分析僅證明了這種非常規(guī)盒型輸出窗的可行性。由于 中所用窗片半徑為 ，與實際工程要求窗片半徑相比還是過小。本節(jié)我們將具體分析 并 設(shè)計半徑 為 3mm 的藍寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗。 介質(zhì)窗片是輸出窗的重要組成部分。介質(zhì)材料的好壞、窗片的大小、焊接工藝等直接影響輸出窗的工作性能和使用壽命。一般情況下窗片是直接焊接在無氧銅等金屬波導(dǎo)上。它的引入會帶來如下問題： 波導(dǎo)的不均勻使電磁波發(fā)生散射，限制了輸出窗的功率容限和帶寬。 在高頻場的直接 照射下，介質(zhì)片會因高頻損耗而產(chǎn)生大量熱量。窗片的冷卻是輸出窗的重大問題。 由于介質(zhì)材料的抗電強度不高，容易發(fā)生電介質(zhì)擊穿而損壞輸出窗。 場的不均勻性導(dǎo)致熱效應(yīng)的不均勻。使介質(zhì)窗片上產(chǎn)生溫度梯度。當(dāng)它超過一定的限度時，產(chǎn)生的熱應(yīng)力會使窗片破裂， 電子直接打在窗片上產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，有時甚至形成電子倍增效應(yīng)。造成窗片的溫度局部增高而破損。 介質(zhì)材料在高頻場中，一般有傳導(dǎo)損耗和容性損耗。對于電容率較小的介質(zhì)材料可以忽略介質(zhì)內(nèi)載流子運動產(chǎn)生的傳導(dǎo)損耗。在窗片與波導(dǎo)焊接處歐姆電阻較大的情況下會產(chǎn)生較大的 傳導(dǎo)損耗。但這可以通過采用合理的焊接工藝來消除。容性損耗是有介質(zhì)的離子、分子與微波共振產(chǎn)生。輸出窗介質(zhì)窗片中產(chǎn)生的平均容性損耗功率密度為： 239。39。012 rwHE?? ?? (331) 式中 ? 為角頻率、 39。39。 39。r tg? ? ?? 是介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的虛部、 tg? 是損耗角正切、 wE 為介質(zhì)窗片內(nèi)的總電場、包括行波場和駐波場。 由式（ 331）可以看出，介質(zhì)材料容性損耗的功率直接與介質(zhì)介電常數(shù)的虛部或損耗角正切成正比。 輸出窗材料的選取主要賴于以下幾個方面： 有較高的介質(zhì)抗電強度； 介電常數(shù) 39。? 和損耗角正切盡可能??； 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 熱傳導(dǎo)系數(shù)和機械強度盡可能高； 較小的二次電子發(fā)射系數(shù)； 適當(dāng)?shù)呐蛎浵禂?shù)和工藝可靠性； 易于金屬化的能力； 無毒性。 總的來說，輸出窗的介質(zhì)材料要求苛刻。要完全符合輸出窗用介質(zhì)材料的上述要求是十分困難的?，F(xiàn)在使用的介質(zhì)材料最常見的有純度為 95% 和 99% 的 23AlO陶瓷，其機械性能好、耐高溫、易加工、氣密性好、損耗小，但導(dǎo)熱性不太好，介電常數(shù)偏大。氧化鈹陶瓷有很好的熱傳導(dǎo)性能和很小的介電常數(shù)、損耗小，但氧化鈹粉末的毒性給加工制作造成了困難。氧化硼導(dǎo)熱性能好，但其硬度高，不易加工，且價格昂貴。 2TiO 陶瓷介電常數(shù)偏大，無法匹配。氧化鎂、 2ZrO 陶瓷抗張 強度低；溫度升高，損耗增大太快。熔凝石英有很小的介質(zhì)損耗、介電常數(shù)小，但介電強度和熱膨脹系數(shù)都很小，并且在高溫下會變軟。藍寶石（ 23100%Al O 單晶）介質(zhì)損耗很小，機械強度高，可以加工成 厚的高精度氣密薄片 ，密度大，無空隙和晶界玻璃物質(zhì)，顯微結(jié)構(gòu)均勻致密，因此在高功率電平下不易產(chǎn)生熔融擊穿，使用溫度高，可以承受焊接與真空排氣時的高溫。與 23AlO 陶瓷比較起來，藍寶石損耗小，熱 傳導(dǎo)性能有所提高，適合高功率微波管的輸出窗片。 綜上本設(shè)計采用藍寶石作為輸出窗窗片 有上分析可見，由于采用藍寶石作為窗片，且窗片直徑遠大于矩形波導(dǎo)，使盒型輸出窗的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，從而等效電路也發(fā)生變化。 但 節(jié)通過實驗的方法證明了此種非常規(guī)盒型輸出窗的可行性。下面將參考 節(jié)設(shè)計步驟設(shè)計窗片半徑為 3mm 的盒型輸出窗。 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 由于此結(jié)構(gòu)窗片尺寸加大，采用 CST 經(jīng)行優(yōu)化仿真速度非常緩慢。只好采用最為稀疏的網(wǎng)格進行分析，以提高速度。但由于 網(wǎng)格較少，必然會影響計算精度，在以后的分析中出現(xiàn)波形的波紋，沒有以上兩節(jié)所見最優(yōu)結(jié)構(gòu)波形平滑，也在所難免。 與 節(jié)相同，此結(jié)構(gòu)主要分析參數(shù)也為圓波導(dǎo)直徑 D 與長度 l 。其他參數(shù)除第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 31 窗片直徑外加以套用， 由此可得： 已知參量為 : 兩端矩形波導(dǎo)長寬高 0 . 7 1 1 0 . 3 5 5 0 . 5a b k m m m m m m? ? ? ? ? ； 窗片厚度： ； 窗片半徑： 3mm 。 未知參量為：圓波導(dǎo)直徑 D ；圓波導(dǎo)長度 l 。 下面開始具體分析。 原 模型套用 由 節(jié)得到的非常規(guī)盒型輸出窗模型與本模型基本相同，差異點僅為窗片半徑，并且優(yōu)化得到了圓波導(dǎo)的尺寸很好的滿足了設(shè)計要求。所以大膽套用所求得的圓波導(dǎo)尺寸 圓波導(dǎo)長度 mm? ； 圓波導(dǎo)直徑 mm? 。 并用 CST 建模得到透射系數(shù) S21 在要求頻段 300 ~ 330G H z G H z波形如圖 316 所示。 表 316 套用模型 S21 線性波形 可以很明顯的看到圖 316 中，在 310f GHz? 時波形還較為平滑，衰減也較小。但在中心頻率處由于衰減過大，高頻時波形顯得雜亂無章。因此完全不符合設(shè)計要求，為說明這種情況將 S21 裝換為 dB 如圖 317 所示，波形將更為明顯。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 因此 由于窗片半徑的變化，僅僅加以套用 節(jié)結(jié)論，完全不能解決問題。所以可知隨著窗片尺寸的變化，圓波導(dǎo)尺寸也應(yīng)相應(yīng)加以改變以滿足設(shè)計要求。 圖 317 套用模型 S21()dB 波形 優(yōu)化過程 由于本模型網(wǎng)格過多，用 CST 采用常用的逐漸改變某一參數(shù)數(shù)值，經(jīng)行優(yōu)化，計算速度將非常緩慢，優(yōu)化過程將更加緩慢。因此本節(jié)采用同時改變圓波導(dǎo)的長度與半徑兩個變量，取出這兩變量的一些組合，觀察其趨勢。在得到較好效果后再進一步優(yōu)化。從而節(jié)約優(yōu)化時間。 經(jīng)反復(fù)計算僅 挑出 以下具有 階段性效果 的圖進行 說 明。 下圖 318 為 圓 波導(dǎo)長度 mm? ； 圓波導(dǎo) 半徑 2d mm? 的透視系數(shù)線性波形。 圖 318 階段 1， S21 波形 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 33 由上圖可見雖然波動較大，波形波谷分為不同的區(qū)間，且在中心頻率處衰減過大，但可以發(fā)現(xiàn)其波形在某些波段波形還是比較平滑，且透射效果也比較好。如圖 319 將其 S21 用波特圖表示效果更佳明顯。 圖 319 階段 1， S21()dB 波形 因此可以進一步在其基礎(chǔ) 上對圓波導(dǎo)參數(shù)加以微調(diào)，將透射效果較好的波段帶寬變寬，并移動其中心頻率。使其滿足設(shè)計要求。 下圖 320 為 圓 波導(dǎo)長度 mm? ； 圓波導(dǎo) 半徑 3d mm? 的透視系數(shù)線性波形。 圖 320 階段 2， S21 波形 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 34 可見上圖較好段波形雖更佳平滑，但衰減也比較大。需要進一步優(yōu)化。同時可以看出其帶寬有展寬的趨勢。為便于觀察取其波特圖如圖 321 所示。 圖 321 階段 2， S21()dB 波形 通過上圖可以很明顯的看出，如果將在 中心頻率 315f GHz? 處的波谷移除，則設(shè)計基本可以滿足要求。所以需進一步優(yōu)化。綜合以上兩組數(shù)據(jù)再次設(shè)圓波導(dǎo)長度 mm? ； 圓波導(dǎo) 半徑 2d mm? 的透視系數(shù)線性波形如圖 322 所示。 圖 322 階段 3， S21 波形 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 35 可以明顯看出最優(yōu)波段帶寬進一步展開，衰減也進一步變小。但在中心頻率附近還是有波谷出現(xiàn)。求其波特圖如圖 323 所示。 圖 323 階段 3， S21()dB 波形 優(yōu)化進步效果非常明顯，可以猜想最優(yōu)效果就在其附近。 由 節(jié)的猜想圓波導(dǎo)長度主要影響波形的中心頻率，而圓波導(dǎo)的半徑則主要影響波形，影響其諧振的頻率值。下一步工作主要目的為移除中心頻率附近處波谷，所以可通過改變圓波導(dǎo)半徑加以實現(xiàn)。經(jīng)反復(fù)計算與猜想，將圓波導(dǎo)長度定為 mm? ； 圓波導(dǎo) 半徑定位 mm? 。得到其透射系數(shù)如圖 324 所示。 圖 324 階段 4， S21 波形 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 36 很明顯，波形更佳平滑平坦，在中心頻率處衰減也更小。為更明顯說明效果取其波特圖如圖 325 所示。 圖 325 階段 4， S21()dB 波形 由上圖 對比圖 3圖 324，可見上圖與 節(jié)與 節(jié)所求最優(yōu)模型波形非常相似。由此確定半徑 3mm 藍寶石窗片輸出窗最優(yōu)模型。需要指出以上結(jié)果是經(jīng)反復(fù)猜想比對所得，并非直接計算所得，本節(jié)設(shè)計主要方法為實驗法。 結(jié)構(gòu)證明 上述優(yōu)化過程，為經(jīng)多次假設(shè)仿真 所得，為證明其確實為最優(yōu)模型。在最優(yōu)結(jié)構(gòu)附近改變圓波導(dǎo)半徑，觀察其波形效果。由于圓波導(dǎo)長度主要影響波形相位，便不加討論。 取圓波導(dǎo)半徑 mm? ，其透射系數(shù)波形如圖 328 所示。 圖 326 驗證 1 S21 波形 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 37 對比圖 324，清楚發(fā)現(xiàn)在中心頻率附近波形跳變加劇，波形效果很不穩(wěn)定，其通帶特性不如原模型。 取圓波導(dǎo)半徑 mm? ，其透射系數(shù)波形如圖 327 所示。 圖 327 驗證 2 S21 波形 同樣對比圖 324，圖 326，可以發(fā)現(xiàn)圖 327 雖不像圖 326 那樣有較大的跳變，但波形也沒有圖 324 平滑。 綜上所述，可以確定圓波導(dǎo)參數(shù)半徑取 ，長度取 為最優(yōu)模型。 結(jié)果分析討論 為說明此種最優(yōu)模型確實可行，并滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，將圖 325 最優(yōu)模型波特圖放大，取其 21 dB?? 部分并計算其帶寬，其結(jié)果如圖 328 所示。 圖 328 最終模型透射系數(shù) ( ) 21 S dB?? 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 38 可以看出在頻段 309 ~ H z G H z附近滿足設(shè)計指標(biāo)，且 30%f ? ，很好的滿足要求。 需指出正如前文所述，由于網(wǎng)格較少，必然會影響計算精度，在 CST 優(yōu)化仿真中出現(xiàn)波形的波紋，沒有以上兩節(jié)所見最優(yōu)結(jié)構(gòu)波形平滑，也在所難免?？梢酝ㄟ^增加網(wǎng)格加以進一步優(yōu)化，但增加網(wǎng)格勢必會增加優(yōu)化時間，影響優(yōu)化工作進度。是否經(jīng)濟并可行，需要就實際情況加以考量。 綜上分析得出所在頻段半徑為 3mm 藍寶石窗片非常規(guī)盒型輸出窗的最佳模型。具體參數(shù)如下： 具體參數(shù)：矩形波導(dǎo)長寬高為 0 .7 1 1 0 .3 5 5 0 .5m m m m m m?? ； 窗片半徑 3mm ； 窗片厚度 ； 圓波導(dǎo)長度 ； 圓波導(dǎo)半徑 。 第 3 章 盒型輸出窗的模擬計算與分析 39 第 4章 結(jié)束語 本文通過在所在頻段 300 ~ 330G H z G H z展寬帶寬、減小衰減，以 基模 透射系數(shù) 21S 為主要參考量出發(fā) 。 利用盒型輸出窗的模型，主要通 過 CST 軟件的仿真與優(yōu)化，分別設(shè)計了常規(guī)型、窗片直徑略大于矩形波導(dǎo)對角線、窗片直徑遠大于矩形波導(dǎo)對角線 三種盒型輸出窗。 并且 設(shè)計結(jié)果很好的滿足了所要求技術(shù)指標(biāo)。 總結(jié)了這種非常規(guī)盒型輸出長的設(shè)計步驟，并且在優(yōu)化仿真中發(fā)現(xiàn)，窗片兩端圓波導(dǎo)尺寸與透射系數(shù)波形存在某種聯(lián)系。 具體猜想為窗片半徑主要影響波形如畸變、波峰、波谷、諧振頻率等；窗片長度則主要影響波形相位如中心頻率等。且在常規(guī)盒型輸出窗模型下，這種關(guān)系更加明顯。 具體對應(yīng)關(guān)系式與猜想正確性需進一步研究得到。 最后在第三種模型情況下，透射系數(shù)波形雖總體上滿足設(shè)計要求， 但 將波形放大不難發(fā)現(xiàn)波形不夠平滑，出現(xiàn)波紋。這 是 設(shè)計 所 不愿看到的。造成原因可能是網(wǎng)格太稀疏，出現(xiàn)計算誤差，也可能是模型參數(shù)不夠精確 。 對應(yīng)改善方法為增加網(wǎng)格數(shù)和在參數(shù)更小數(shù)量級下進行優(yōu)化。 由于作者水平所限，文中難免存在不少的錯誤和缺點，還望各位老師和專家不吝賜教 ，予以指正。 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 40 參考文獻 [1]王瑞敏 . 一種圓錐形陶瓷微波輸出窗的模擬分析 [D].北京 :中國科學(xué)院 ,2020..5~8 [2]朱志斌 .S 波段波導(dǎo)窗的理論研究和設(shè)計 [D].成都 :電子科技大學(xué) ,~11 [3] 電子管設(shè)計手冊編輯委員會 . 大功率速調(diào)管設(shè)計手冊 [M]. 北京 :國防工業(yè)出版社 ,~173 [4 丁耀根 .大功率速調(diào)管的理論與計算模擬